JP5998716B2

JP5998716B2 - 発光装置

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Publication number: JP5998716B2
Application number: JP2012169349A
Authority: JP
Inventors: 篤史板東; 岡田　聡; 岡田　　聡
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP2014029911A

Description

本発明は、発光素子が搭載された発光装置に関する。

従来より、発光素子を載置するパッド部とワイヤボンディング部とが凸状とされたリードフレームと、その周囲を高反射性の樹脂で充填することが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような発光装置では、樹脂から露出されたリードフレーム上に発光素子等の半導体素子が、接合部材を用いて接合されている。

特開２０１０−１３５７１８号公報特表２０１１−５１７１２５号公報

近年、発光装置は更なる高信頼性が求められており、そのために発光素子を共晶接合する場合等、製造工程において高い温度（例えば３００度）がかけられることがある。具体的には、樹脂とリードフレームからなるパッケージに発光素子を載置して加熱することで共晶接合されるが、この際の熱で樹脂材料からアウトガスが発生し、金属部分であるリードフレームに有機成分が付着して、その後に別の半導体素子（例えばツェナーダイオード等）を接合する際の接合強度が低下するという問題があった。

そこで本発明は、リードフレーム上に有機成分が付着したとしても半導体素子の接合強度が低下しない、信頼性の高い発光装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。

本発明は、樹脂を含んでなる成形部材と、前記成形部材の内部に配置された１つ以上のリードフレームと、前記リードフレーム又は前記成形部材に載置された発光素子とを有する発光装置であって、前記リードフレームの少なくとも１つは凸部を有し、前記凸部の周囲は前記成形部材により囲まれ、かつ、前記凸部の上面は前記成形部材より露出されており、前記凸部の上面に樹脂を含んでなる接合部材を介して半導体素子が載置され、前記接合部材は前記リードフレーム及び前記成形部材に跨るように配置されていることを特徴とする発光装置である。

また、本発明は、前記凸部の上面の面積は、前記半導体素子の底面の面積の５０〜１５０％であることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記発光素子は共晶接合により前記リードフレームに接合されていることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記成形部材及び前記接合部材にエポキシ樹脂が含有されることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記半導体素子の下面に電極を有することを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記半導体素子は発光素子又は保護素子であることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記接合部材に導電性材料が含有されていることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記成形部材が凹部を有し、前記凸部の上面は前記凹部の底面において前記成形部材より露出されていることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記成形部材の表面と前記凸部の上面とが同一平面上にあることを特徴とする上記した発光装置である。

また、本発明は、前記凸部の上面が、前記成形部材の表面から突出していることを特徴とする上記した発光装置である。

本発明によれば、リードフレーム上に有機成分が付着したとしても半導体素子の接合強度が低下しない、信頼性の高い発光装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る発光装置１００の斜視図である。本発明の実施形態に係る発光装置１００の平面図である。図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図２のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。発光装置１００の成形部材及びリードフレームを示す平面図である。発光装置１００の底面と側面を示す斜視図である。

以下、本発明に係る発光装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
なお、以下の説明では必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る発光装置１００の斜視図であり、図２は発光装置１００の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。また、図５は、図２に示す発光装置１００のうち発光素子５０とワイヤ４２、保護素子６０及び保護素子の接合部材６２の記載を省略した平面図であり、すなわち発光装置１００の成形部材１０及び一対のリードフレーム２０、２２を示す。図６は、発光装置１００の底面と側面を示す斜視図である

本発明の実施形態に係る発光装置１００は、図１〜図６に示すように、樹脂を含んでなる成形部材１０と、成形部材１０の内部に配置された１つ以上のリードフレーム２０及び２２とを有している。本実施形態ではリードフレーム２０、２２の２つのリードフレームを有しており、図４に示すようにリードフレーム２０の表面（上部）に形成された凸部２０ａ及び２０ｂに、それぞれ発光素子５０が固定部材７０より固定されており、図３に示すようにリードフレーム２２の上面に形成された凸部２２ｂに保護素子６０が載置されている。

ここで、本実施形態においては、リードフレームの少なくとも１つであるリードフレーム２２の表面に形成された凸部２２ａの上面に、半導体素子である保護素子６０が接合部材６２を介して載置されており、接合部材６２はリードフレーム２２及び成形部材１０に跨るように配置されている。

このように成形部材１０とリードフレーム２２とに跨るように接合部材６２を配置して半導体素子を接合することにより、リードフレーム上に有機成分が付着していたとしても、その周囲の成形部材と接合部材６２との密着性が良いため、半導体素子がリードフレームから剥離することを抑制することができる。

本実施形態においては、半導体素子載置面において、凸部２２ａと成形部材１０との境界がすべて接合部材６２により被覆されるように配置される。これにより、凸部２２ａの外側全周を囲むように成形部材１０と接合部材６２が密着するため、より信頼性を高めることができる。なお、本実施形態では半導体素子を保護素子としたが、発光素子やコンデンサであってもよい。

以下、発光装置１００の構成部材について詳述する。
（リードフレーム２０）
リードフレーム２０の表面には図５に示すように、４つの凸部（ｚ方向の厚さが増加している部分）２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが形成されており、それぞれの凸部の周囲は成形部材１０により囲まれ、かつ、それぞれの凸部の上面は成形部材１０より露出されている。成形材料１０より露出している凸部２０ａ及び２０ｂの上面には、発光素子５０が載置されている。すなわち、凸部２０ａ及び２０ｂの上面は、発光素子実装パターンとして機能する。

発光素子５０は、Ａｕ−Ｓｎ合金等を用いた共晶接合で固定されることが好ましい。金属材料により発光素子を接合することで、樹脂材料で生じるような熱や光による変色劣化が生じないため、光出力の減少を抑制することができる。また、金属材料であることから発光素子から生じる熱の放熱性にも優れており、高温動作にも耐えうる発光装置とすることができる。
なお、発光素子の固定は共晶接合に限られず、例えば、エポキシ、シリコーン等の樹脂、銀、金、パラジウム等の導電性ペースト、低融点を有する金属等のろう材等の固定部材を用いることができる。

凸部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、好ましくは、高さ（図２、図４のｚ方向）が、リードフレーム２０の厚みの略半分もしくはそれよりも小さい。具体的には、リードフレームから突出されている部分の高さが０．２ｍｍ以下、さらには０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。凸部上面の縦（図２、図４のｘ方向）及び凸部上面の横（図２、図４のｙ方向）は、上面に載置される発光素子５０やワイヤ４２等の接着に十分な面積となるように設定することが好ましい。発光素子５０を載置する場合には、発光素子５０の底面の面積が、凸部２０ａ、２０ｂそれぞれの面積に対して５０％〜１５０％であることが好ましい。これによって、良好な放熱性と良好な発光素子実装性とを両立させることができる。ワイヤ４２が接合される凸部２０ｃ及び２０ｄの面積は、発光素子５０が載置される凸部２０ａ、２０ｂのそれぞれの面積又はリードフレーム２２側に載置される保護素子６０が載置される凸部２２ａの面積と略同一か、それよりも小さくてもよい。

また、凸部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、それぞれ最も近接する凸部（同じリードフレームの凸部）間の距離を、加工方法によるが、例えばエッチングを用いる場合であれば、０．１ｍｍ程度まで小さくすることができる。好ましくは０．１ｍｍ以上とする。

発光素子５０が搭載される凸部の上面の形状は、図５に示すように、角が丸められた形状であってもよい。このような形状とすることで、発光素子５０の固定部材との濡れ性を向上することができる。特に共晶接合等、金属を含む固定部材によって発光素子５０を接合する場合に好ましい。

このような、発光素子の底面の大きさと凸部の上面の大きさの好ましい関係は、面積に代えて縦横の長さで規定することも可能である。具体的には、縦（図２、図４のｘ方向）及び横（図２、図４のｙ方向）とも、それぞれ凸部の上面の縦及び横に対してプラスマイナス０．１ｍｍの範囲内であることが好ましい。この範囲内であれば、発光素子５０の近傍において成形部材１０の領域が大きくなり、高い反射率を維持できるからである。さらに、発光素子５０の底面の大きさがこの範囲内であれば、所謂セルフアライメント効果を得ることができる。

発光素子５０は、リードフレーム２０と電気的に接続されている。好ましい接続形態の１つは、図示するように、凸部２０ｃの上面と発光素子５０とをワイヤで接続することである。なお、ワイヤ４２は、電気伝導性を有する金属等の各種材料であってよい。好ましくは、金、銅、アルミニウム、または金合金、銀合金などからなる。

リードフレーム２０の凸部２０ａと凸部２０ｂとの間の隙間（凹部）は、図４に示されるように成形部材１０で満たされており、隙間に存在する成形部材１０は、隙間の上端で発光素子載置面と略同一面とされている。

通電することにより、発光素子５０を発光させた際に生ずる発熱は、凸部２０ａ、２０ｂの上面を介してリードフレーム２０内を伝導する。発光素子５０の直下においてリードフレーム２０の底面（下面）が成形部材１０から露出していることで、効率的に放熱することができる。図４に示すように、発光素子５０が載置された凸部２０ａ及び２０ｂは、発光素子５０の載置面と対向する面（裏面）が、成形部材１０から露出していることが好ましい。なお、図６に示すように、発光装置の側面及び／または底面において、成形部材１０よりリードフレーム２０を露出させることが好ましい。

なお、以上説明したとおり、発光素子５０はリードフレームの凸部上面に載置されていることが好ましいが、リードフレームではなく、成形部材１０に載置されていてもよい。つまり、図４及び図５に図示する凸部２０ａ及び凸部２０ｂが無くても良い。

（リードフレーム２２）
発光装置１００は、図示するようにリードフレーム（第２のリードフレーム）２２を有している。図３に示すように、リードフレーム２２もリードフレーム（第１のリードフレーム）２０と同様に、成形部材１０内に配置され、リードフレーム２２の表面に凸部２２ａ及び２２ｂが形成されており、それぞれの凸部の周囲は成形部材１０により囲まれ、かつ、それぞれの凸部の上面は成形部材１０より露出されている。

凸部２２ａの上面には、半導体素子（本実施形態においては、保護素子６０）が載置されている。すなわち、凸部２２ａの上面は、保護素子実装パターンとして機能する。また、凸部２２ｂはリードフレーム２０に形成された凸部２０ａ上に載置された発光素子５０の電極とワイヤによって接続されている。

保護素子６０が載置された凸部２２ａの面積は、半導体素子（保護素子６０）の底面の面積が、凸部２２ａの面積に対して５０％〜１５０％であることが好ましい。また、縦（図２、図４のｘ方向）及び横（図２、図４のｙ方向）とも、それぞれ凸部の上面の縦及び横に対してプラスマイナス０．１ｍｍの範囲内であることが好ましい。この範囲内とすることにより、接合部材６２を凸部２２ａの上面と成形部材１０とに跨るように塗布することが容易となる。

その他、凸部２２ａ、２２ｂの高さ及び凸部２２ａと２２ｂとの距離、凸部上面の形状については、前述した凸部２０ａ等と同様の構成を採用することができる。

リードフレーム２２の凸部２２ａと凸部２２ｂとの間の隙間（凹部）は、図３に示されるように成形部材１０で満たされており、隙間に存在する成形部材１０は、隙間の上端で保護素子載置面と略同一面とされている。

なお、リードフレーム２２については、図６に示すように、発光装置の側面及び／または底面において、成形部材１０よりリードフレーム２２を露出させることが好ましい。

以上述べたように、本実施形態では、発光素子５０の載置面とワイヤ４２が接続される部分以外の部分は、極力リードフレーム２０及び２２の表面が露出されない構成とされている。これにより、アウトガスの影響を受け易いリードフレーム２０及び２２の露出を低減し、成形材料１０の割合を増やすことができるため、リードフレームと別部材との密着性を向上させて発光装置の信頼性を向上させることができる。

また、反射率の低い金属フレームを用いる場合であっても、反射率の高い成形部材を用いることで、発光素子５０からの光を効率よく反射させて外部に取り出すことが可能となり、発光効率の高い発光装置とすることができる。

リードフレーム２０、２２は例えば、鉄、リン青銅、銅合金、クラッド材等の電気良導体を用いて形成される。また、必要に応じて、例えば反射率向上を目的に銀、アルミニウム、銅及び金などの金属メッキをすることができる。

（接合部材６２）
保護素子６０を接合する接合部材６２は、樹脂を含んでなる。これにより、樹脂を含んでなる成形部材との密着性を確保することが可能になる。具体的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂や不飽和ポリエステルなどの樹脂などが好適に挙げられる。これらは、単独又は２種類以上混合して使用することもできる。また、金、銀、銅やカーボンなどの導電性材料を含有させることにより電気的接続をとることができる。

より密着性を向上させるために、成形部材１０の材料と同じ材料を用いることが好ましい。例えば、成形部材１０としてエポキシ樹脂を用いる場合には、接合部材６２にもエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
接合部材６２は、凸部２２ａの全てを覆い、凸部２２ａの周囲の成形部材１０にまで広がるように配置される。例えば、スタンピングやディスペンシングにより滴下して配置させることができる。

本実施形態においては、保護素子６０は素子の上面及び底面に電極が形成されており、底面が導電性の接合部材６２により接合されることで、凸部２２ａと電気的に接続されている。

（成形部材１０）
成形部材１０は、リードフレーム２０及び２２をその内部に配置させる部材であり、樹脂を含有して成る。透光性の樹脂に光反射性物質を高充填したものを使用することが好ましい。樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂を用いるが熱硬化性樹脂を用いるのが好ましく、そのうち、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂からなる群から選択される少なくとも１種により形成することが好ましい。

成形部材１０は、図１及び図５に示すように、底面１４と側面１６とを有する凹部を形成しており、底面１４において凸部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２２ａ、２２ｂが露出されている。
このようなリードフレームの凸部の突出は、例えば、リードフレーム２０とリードフレーム２２とを金型に配置し、トランスファーモールド法により、成形材料を流し込んで成形部材を形成する際に、凹部を形成する金型の部分に凸部２０ａ等のそれぞれの上面を接触させることで容易に形成することができる。これにより、成形部材の表面（凹部の底面１４）と前記凸部の上面とが同一平面上にあるように形成することができる。

なお、凸部の上面が、成形部材の表面（凹部の底面１４）から突出するように形成してもよい。この場合には、金型形状を調整して凸部の上面が底面１４よりも突出するように成形部材を形成してもよいし、同一平面上に露出された凸部の上面にめっき処理をすることにより、底面１４よりも突出させてもよい。

めっき層は、例えば、銀、金、ニッケル、パラジウム、銅、錫等より選択される金属めっきまたはこれらを組み合わせた合金めっきより成る。好ましくは反射率の高い銀や、ワイヤと良好な密着性を有する金を選択する。めっき層は成形部材１０を形成後、電解めっきにより形成することで、凸部の上面にのみ選択的に形成することができる。

成形部材１０に形成される凹部は外上面側から見て、略円形形状、略楕円形状、略四角形形状、略多角形形状及びこれらの組み合わせなど種々の形状を採ることができる。凹部は開口方向に拡がる形状となっていることが好ましいが、筒状を含む他の形状であってもよい。

（発光素子５０）
発光素子５０としては、いわゆる発光ダイオードと呼ばれる素子が好適に用いられる。例えば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物半導体、III−Ｖ族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等、種々の半導体によって、発光層を含む積層構造が形成されたものが挙げられる。
発光素子５０は、フェイスアップ構造のものを使用することができる他、フェイスダウン構造のものも使用することができる。発光素子５０の大きさは特に限定されない。また、発光素子５０は、１つであっても良いし、複数個使用してもよい。複数使用する場合には、全て同種類のものでもよく、光の三原色となる赤・緑・青の発光色を示す異種類のものでもよい。

（保護素子６０）
保護素子６０は、通常、発光装置に搭載される公知のもののいずれでもよい。例えば、発光素子に印加される逆方向の電圧を短絡したり、発光素子の動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧を短絡したりさせることができる素子、つまり、過熱、過電圧、過電流、保護回路、静電保護素子等が挙げられる。具体的には、ツェナーダイオード、トランジスタのダイオード等が利用できる。

（封止部材１８）
成形部材１０により形成される凹部は、図３及び図４で図示されるように、好ましくは封止部材により満たされている。なお、説明をわかり易くするために、図１及び図２では封止部材は省略されている。

封止部材１８の材質は、例えば熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂のうち、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種により形成することが好ましく、特にエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂が好ましい。

封止部材１８は、所定の機能を持たせるため、フィラー、拡散剤、顔料、蛍光物質、反射性物質からなる群から選択される少なくとも１種を混合することもできる。封止部材１８中には拡散剤を含有させてもよい。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等を好適に用いることができる。また、所望外の波長をカットする目的で、封止部材１８に有機や無機の着色染料や着色顔料を含有させることができる。さらに、封止部材１８は、発光素子５０からの光を吸収し、波長変換する蛍光物質を含有させることもできる。

１００発光装置
１０成形部材
１４底面
１６側面
１８封止部材
２０、２２リードフレーム
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２２ａ、２２ｂ凸部
４２ワイヤ
５０発光素子
６０保護素子
６２（保護素子の）接合部材
７０（発光素子の）固定部材

Claims

樹脂を含んでなる成形部材と、前記成形部材の内部に配置された１つ以上のリードフレームと、前記リードフレーム又は前記成形部材に載置された発光素子とを有する発光装置であって、
前記リードフレームの少なくとも１つは凸部を有し、前記凸部の周囲は前記成形部材により囲まれ、かつ、前記凸部の上面は前記成形部材の表面と同一平面で前記成形部材より露出されており、
前記凸部の上面に樹脂を含んでなる接合部材を介して半導体素子が載置され、前記接合部材は、前記リードフレーム及び前記成形部材に跨って、かつ、前記凸部と前記成形部材との境界をすべて被覆して配置されていることを特徴とする発光装置。
前記凸部の上面の面積は、前記半導体素子の底面の面積の５０〜１５０％であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記発光素子は共晶接合により前記リードフレームに接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
前記成形部材及び前記接合部材にエポキシ樹脂が含有されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記半導体素子の下面に電極を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記半導体素子は発光素子又は保護素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記接合部材に導電性材料が含有されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記成形部材が凹部を有し、前記凸部の上面は前記凹部の底面において前記成形部材より露出されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記リードフレームは２つの凸部を有し、
前記２つの凸部の隙間に形成される前記成形部材は、前記隙間の上端で前記半導体素子の載置面と略同一面となることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の発光装置。
前記凸部の上面の形状は、角が丸められた形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の発光装置。
前記リードフレームの底面は前記発光素子の直下において前記成形部材から露出していることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の発光装置。